具有底盘快换功能的多功能家用清洁机器人

具有底盘快换功能的多功能家用清洁机器人
□潘智炜1□刘禹1>2□陆奕1口周锡隆1
□陈超1口卞家坤1
1.江南大学君远学院江苏无锡214122
2.江南大学机械工程学院江苏无锡214122
摘要:针对传统家用清洁机器人功能单一且效率不高的问题,设计了一种具有底盘快换功能的多功能家用清洁机器人。

这一多功能家用清洁机器化，通过更换底盘现不同功能。

介绍了这一多功能家用清洁机器人的机械系统组成与硬件电路,对擦窗路径与扫地路径进行了规戈
应用这一多功能家用清洁机器人，可以达到洗尘、擦窗、扫地一机三用的效果。

关键词：机器人更换设计
中图分类号：TH122-TP242文献标志码：A文章编号：1000-4998(2020)11-0039-04 Abstract:Aiming at singae function and low Sricience of the traditiond household cleaning robot,a multiUnctional household cleaning robot with quick change function of undercor/agc was designed.This muetitunctionaehousehoed ceeaningeobotadoptsamodueaedesign and eeaeieesdi t eeenttunctionsbyeepeacing undeeca e iagemoduees.Themechanicaesystem and haedwaeeciecuitotthismuetitunctionaehousehoed ceeaning robot were introduced,and the window cleaning path and the sweeping path were planned.The application of this multitnctional household cleaning robot can achieve the performances of dust—cleaning,window-cleaning and Uoor—sweeping.
Keywordt:Cleaning Robol Undercarriage Change Design
1设计背景
近年来,随着机械、电子、控制等学科的交叉融合,机器人技术得到空前发展。

智能家居概念的提出,使洁逐渐走向大众家用。

目，家用清洁机器在功能单一、成较高的问题。

对如何丰富家用清洁的功能，有许多设计。

从能一体化角，苗玉⑴一种集扫地与拖一体的清洁&从拓展清洁运动
角，马伟⑵一种以构为的洁。

，以在结构相对复，编程实现较为问题。

对家用清洁在的问题，笔者设计了一有快能的多功能家用清洁&这一多功能家用清洁为、擦窗、地，采用中的弹簧、钢珠进行连接部位的定位，通过底盘快换，实
洁功能的多样化⑶&2机械系统
具有底盘快换功能的多功能家用清洁机器人，其机械系统主要包括三部分：、擦
块、扫地底盘模块，机械系统框架如图1所示。

各模块均有独立的单元，可以完成相应的工作，应的功能。

别与，的在快速、准确、稳&对，采用波提供的定位力，需要在底盘模的型槽中，使的钢
入&
▲图1机械系统框架
机械系统各模块如图2所示。

吸尘风机模块由风
江南大学大学生创新训练计划项目（编号：2019402Y)
机上壳、中层卡槽板、大功率无刷直流电机、风扇、风机、冲速板显示:
组成。

用过。

脉冲宽度
电路调速板有三种工作模式:①低速，吸单独工作,可以；②中速
,配合扫地，地：-③高速，配合，实洁。

擦窗底盘模块由外壳、履带轮、直流电机、防撞轮、主控板、成。

的用于与吸
,在确的前提下可以快速更换底盘。

由直流电机驱动,采用蜗轮蜗杆传动，使有自锁性。

防撞有压力传,证机器人擦窗时安全运行。

扫地底盘模块由外壳、、动轮、万向轮、、主控板、传成，连接和驱动方式与同。

通过型动，辅向弹簧机构，实
下浮动。

设置超声，用避障，并获取&
与擦窗底盘模块、扫地底盘模块通过位。

，吸
装入型槽，沿型: ,成的定位&
以为例，过程如图3所示，成如图4所示。

入擦窗型，的钢珠为完全顶出状态，波珠
部弹簧位置&在在旋转过程中，钢沿滑动，逐渐回缩,弹簧，逐渐缩短，直至钢入滑轨运动。

=
按预定方向90°后,钢由滑轨槽迅速运动至定位球槽，全顶出状态，弹簧，模成。

离时,按方向
机模块，钢珠沿与滑轨滑出，实现快速分离。

选用M16波珠螺丝，最大顶出钢珠距离为3.5mm&采用刚较大的硬弹簧,以提供较大的压紧力&
波珠螺丝
吸尘风机模块
y-r/r-.
'匸'-fl~F,—
▲图3模块连接过程
波珠螺丝
///
rq-T/(-
Z3,
▲图4模成
3硬件电路
底盘模块单独配置控制板，采用STC8A微处理器，不需要外部，处理速度约为传统8051芯片的12倍&板、、指示灯、按、通、动、超声件。

采用5.5V，通过LM2940及LM1117稳压芯片输出电压&应用MC34063芯片搭，得到12V用动直流电机。

采用CH340+口电平&为增强程序写入的实时性，433单通信功能。

采用IR2104芯片构成H动，第一冲号接入第一个IR2104的逻辑输入引脚IN,由高极引脚HO输出与逻辑输入引脚'相同的波形信号，低侧栅极输出引脚LO与逻辑输入引脚'的波形信号，第二路脉冲号与第一路脉冲号，入第二个IR2104&号在，电
机两端，实现直流电机脉冲宽度调制调速⑷&
4擦窗路径规划
多功能清洁机器人擦窗时的运行环境相对简单，任务区域成规则的矩形，环境范围内无任何障碍物体&对此,擦窗时的路径目标可定义为任务区域的全洁，运行过程中应保证
少，降低程序的&较为常用的径为回字形径和之字形径，如图5所示'5(，默认起始点为窗户左下角&
(a)回字形(b)之字形
▲图5常用清扫路径
采用回字形清扫路径，机器人沿窗户边缘逐渐向中心形运行，最终任务区域的全&编程时，先沿窗•依次行进三段路径—
—长厶、宽C、长：0，然后循环行进路径—
—宽C、长厶、C+1、长厶+1、宽C+2、长厶+2、……直至完成任务。

其中，C+1W C-?、厶+1二厶-D，D为机器人的直径。

采用之字形径，机器人沿窗•一边往复推进运行，最终任务区域的全覆盖。

编程时，沿•一边行进，编码器记录行进位移！；右转并行进距离，再次右转后行进位移！;左转并行进距离?，再次左转后行进位移!;如此循环往复前进，直至完成任务&左右转向可由一个标志&
比较两种路径，回字形清扫路径需进行C、厶的迭代计算，从程算量方面考虑，用字形径&需沿的次
沿短的次数，从使用寿命方面考虑，选用沿的之字形径较佳&完整运行方案为，按回字形径行进一周，记录、比较得•的与短边；随沿窗•长边按之字形径在区，完成& 5规
机器人扫地时，场地存在较多的障碍物，比较复杂&一单元分解的拓径I 法，在完成100%覆盖率的同时尽量降低重复率
由于现实环境复杂，笔者采用栅格法对环境进行建模⑹。

栅格法将地时的为大的方格，这些方至少同的值，以表示&以0表示自由栅格，以1表示障碍物&20[201区域，以矩阵的形式将字离散化，中的路径
便简化为的路径。

机器人扫地时通过沿边学习，的图'7(&
由中存在排布无规律的障碍物，因此使机器人扫地时在图中完成相应路径规划的效率大打&为一降低，采用单元解法&单元分解法是地形的区法，机器地时将在划分好的各个区域内进行全，区入下一区行全&常用的单元分解法有梯形分解法、解法、摩尔
分解法'8(，笔者将障碍物简化为矩形，因此三种分解法在差别&的化地图如图6所示，共有16矩形区域，坐标为图角&
在独立矩形区域内无障碍栅格，采用之字形清扫路径对每个区域进行&地占据一，运动方向为上移、下移、左移、右移&每区域，起始点为标的栅格'9(，运动轨迹与擦窗同，均沿矩形区域长边起行进&目标点由短确定&短边为奇，目标点在起始&短边为，目标点在起始点同侧&在区，一区&
将每个矩形区一个节点，记作E。

根据每个区域的距离关系，可以构建所有拓络，机器地时对的全径问题可用图论算法得&最短路径由常规算法确定'10(，笔者采用主次两函数，当主函同时，比较次函数，
取代价函数最小的节点。

记F(-)为已移动实际代价函数,((-)为距离函数,/(-)为移动综合-函数,&(-)为方向函数,(3八2)为P n的标，(30、20)、(3g、2g)别为起始点与目标点的坐标。

主、次函别为：
f(-)WF(-)+((-)(1)
d(―)二
•2(3—3)(3--3)V O,(2g-2)(2-一2)V0
<1(3-3)(3--3)(2g一20)(2-一20)VO(2) 0(3g-30)(3--30)>0,(2g一20)(2--20)>0由代价函数可得到节点拓络的矩阵。

清扫路径的目标为求得一条从区域1终，遍历所有区回区域1起始的最短路径，可等效为典型的旅行商问题。

采用改良圈算法进行求解,取随机初始圈，修改初始圈,得到具有较小权的另一个哈密顿圈，直至无法再改进，求出最小值,得到最短路径。

最短径长度为114，具体为E1—-E2—3—-E4—-P5—-P13—-P16—-P11—-P12—E10—-E9—-P8—P15—P14—P7—P6—P]。

最终规划得到的机地径如图7所示，为区
径，虚为区径。

▲图7具体清扫路径
(上接第19页)
[7]尔滨工业大学理论力学教研室•理论力学(I)[M].8
版•北京:高等教育出版社,2016.
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[9]陈玉英，严军，许凤，等.Matlab优化设计及其应用[M].
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[10]CAD/CAM/CAE技术联盟.ADAMS2018动力学分析与6结束语
笔者针对传统家用清洁机器人功能单一、效率低下的问题，通过化思一有快换功能的多功能家用清洁&采用快换的方式实现一机三用，硬件采用STC8A理器,擦窗径采用沿字形径确定，扫地在沿学习的结合常规算法及改良圈算法得到清扫路径，在兼顾功能多样化的同时，保证区域全覆、低。

参考文献
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南京:南京邮电大学,2017.$
收稿日期：2020年5月作者简介：
潘智炜(1998—),男，本科在读；刘禹(1980—),男，教授，主要研究方向为机化与装备自动化。

(编辑平平)
仿真:从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2020.
$
收稿日期：2020年6月作者：
祝书伟(1982-),男，高级工程师，主要研究方向为机械设计与制造。

(编辑丁罡)。